Проект организации производства серной кислоты

Серную кислоту выпускают  нескольких сортов. Они отличаются концентрацией и количеством примесей. Для производства медицинских препаратов, особо чистых реактивов, для заливки аккумуляторов требуется чистая кислота. При травлении металлов, в производстве суперфосфата можно воспользоваться кислотой, имеющей некоторые загрязнения. Экономически это выгодно. Такая кислота более дешевая. 
Наиболее распространенный сорт серной кислоты - купоросное масло. Купоросное масло, получаемое башенным способом, содержит 92,2% чистой кислоты, а купоросное масло, получаемое контактным методом, - 92,5% кислоты. Особо чистой можно назвать аккумуляторную кислоту, содержащую 92-92% кислоты. При выпаривании такой кислоты сухой остаток (примеси) должен составлять не более 0,003%. Вредное влияние на работу аккумуляторов оказывает примесь солей железа, при наличии которых аккумуляторы быстро разряжаются. Поэтому в аккумуляторной кислоте солей железа должно быть минимальное количество, считается что не более 0,006%.  
Обычная башенная кислота содержит 75% чистой кислоты. 
Сернокислотная промышленность выпускает так называемый олеум, используемый при производстве некоторых органических препаратов, взрывчатых веществ. Олеум представляет собой раствор серного ангидрида в серной кислоте. Сорта олеума различаются по концентрации серного ангидрида в серной кислоте. Для некоторых особых целей выпускают олеум, содержащий серного ангидрида до 60%. Так, кислота серная техническая и олеум технический (ГОСТ 2184-77) применяются в производстве различных солей, кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, в качестве водоотнимающего и осушающего средства, в процессах нейтрализации, травления и многих других. Эти продукты не горючи и относятня к веществам 2-го класса токчичности.

 

2.3. Способы получения серной кислоты.

Производство серной кислоты из серусодержащего сырья  включает несколько химических процессов, в которых происходит изменение степени окисления сырья и промежуточных продуктов. Это может быть представлено в виде следующей схемы:

где I – стадия получения печного  газа (оксида серы (IV)),

II – стадия каталитического  окисления оксида серы (IV) до оксида  серы (VI) и абсорбции его (переработка  в серную кислоту).

В реальном производстве к этим химическим процессам добавляются процессы подготовки сырья, очистки печного газа и другие механические и физико-химические операции. В общем случае производство серной кислоты может быть выражено в следующем виде:

Сырье подготовка сырья сжигание (обжиг) сырья

очистка печного газа контактирование абсорбция

контактированного газа СЕРНАЯ КИСЛОТА

Конкретная технологическая  схема производства зависит от вида сырья, особенностей каталитического окисления оксида серы (IV), наличия или отсутствия стадии абсорбции оксида серы (VI).

В зависимости от того, как осуществляется процесс окисления SО₂ в SО₃, различают два основных метода получения серной кислоты.

В контактном методе получения  серной кислоты процесс окисления SО₂ в SО₃ проводят на твердых катализаторах.

Триоксид серы переводят  в серную кислоту на последней  стадии процесса – абсорбции триоксида серы, которую упрощенно можно представить уравнением реакции:

SО₃ + Н₂О Н₂SО₄

При проведении процесса по нитрозному (башенному) методу в  качестве переносчика кислорода используют оксиды азота.

Окисление диоксида серы осуществляется в жидкой фазе и конечным продуктом является серная кислота:

SО₃ + N₂О₃ + Н₂О   Н₂SО₄ + 2NО

В настоящее время  в промышленности в основном применяют  контактный метод получения серной кислоты, позволяющий использовать аппараты с большей интенсивностью.

Рассмотрим процесс  получения серной кислоты контактным методом из двух видов сырья: серного (железного) колчедана и серы.

1) Химическая схема  получения серной кислоты из  колчедана включает три последовательные  стадии:

- окисление дисульфида  железа пиритного концентрата  кислородом воздуха:

4FеS₂ + 11О₂ = 2Fе₂S₃ + 8SО₂,

- каталитическое окисление  оксида серы (IV) избытком кислорода  печного газа:

2SО₂ + О₂ 2SО₃

- абсорбция оксида  серы (VI) с образованием серной  кислоты:

SО₃ + Н₂О Н₂SО₄

По технологическому оформлению производство серной кислоты из железного колчедана является наиболее сложным и состоит из нескольких последовательно проводимых стадий.

Принципиальная (структурная) схема этого производства представлена на рис. 1:

 

Рис. 1 Структурная схема производства серной кислоты из флотационного колчедана методом одинарного контактирования.

I – получение обжигового  газа: 1 – обжиг колчедана; 2 –  охлаждение газа в котле-утилизаторе; 3 – общая очистка газа, 4 –  специальная очистка газа; II – контактирование: 5 – подогрев газа в теплообменнике; 6 – контактирование; III – абсорбция: 7 – абсорбция оксида серы (IV) и образование серной кислоты.

 

Обжиг колчедана в  токе воздуха представляет собой  необратимый некаталитический гетерогенный процесс, протекающий с выделением тепла через стадии термической диссоциации дисульфида железа:

FеS₂ = 2FеS + S₂

и окисления продуктов  диссоциации:

S₂ + 2О₂ = 2SО₂

4FеS + 7О₂ = 2Fе₂S₃ + 4SО₂

что описывается общим  уравнением

4FеS₂ + 11О₂ = 2Fе₂S₃ + 8SО₂,

где ΔН = 3400 кДж.

Увеличение движущей силы процесса обжига достигается флотацией  колчедана, повышающей содержание дисульфида железа в сырье, обогащением воздуха кислородом и применением избытка воздуха при обжиге до 30 % сверх стехиометрического количества. На практике обжиг ведут при температуре не выше 1000 ^оС, так как за этим пределом начинается спекание частиц  обжигаемого сырья, что приводит к уменьшению поверхности их и затрудняет омывание частиц потоком воздуха.

В качестве реакторов  для обжига колчедана могут применяться печи различной конструкции: механические, пылевидного обжига, кипящего слоя (КС). Печи кипящего слоя отличаются высокой интенсивностью (до 10 000 кг/м²·сут), обеспечивают более полное выгорание дисульфида железа (содержание серы в огарке не превышает 0,005 мас. долей) и контроль температуры, облегчают процесс утилизации теплоты реакции обжига. К недостаткам печей КС следует отнести повышенное содержание пыли в газе обжига, что затрудняет его очистку. В настоящее время печи КС полностью вытеснили печи в других типов  в производстве серной кислоты из колчедана.

2) Технологический процесс  производства серной кислоты  из элементарной серы контактным способом отличается от процесса производства из колчедана рядом особенностей. К ним относятся:

– особая конструкция печей для получения печного газа;

– повышенное содержание оксида серы (IV) в печном газе;

– отсутствие стадии предварительной  очистки печного газа.

Последующие операции контактирования  оксида серы (IV) по физико-химическим основам  и аппаратурному оформлению не отличаются от таковых для процесса на основе колчедана и оформляются обычно по схеме ДКДА. Термостатирование газа в контактном аппарате в этом методе осуществляется обычно путем ввода холодного воздуха между слоями катализатора.

Принципиальная схема производства серной кислоты из серы представлена на рис. 2:

Рис. 2. Структурная схема производства серной кислоты из серы.

1 – осушка воздуха; 2 – сжигание серы; 3 – охлаждение  газа, 4 –контактирование; 5 –абсорбция  оксида серы (IV) и образование серной кислоты.

 

Существует также способ производства серной кислоты из сероводорода, получивший название «мокрого» катализа, состоит в том, что смесь оксида серы (IV) и паров воды, полученная сжиганием сероводорода в токе воздуха, подается без разделения на контактирование, где оксид серы (IV) окисляется на твердом ванадиевом катализаторе до оксида серы (VI). Затем газовая смесь охлаждается в конденсаторе, где пары образующейся серной кислоты превращаются в жидкий продукт.

Таким образом, в отличие  от методов производства серной кислоты из колчедана и серы, в процессе мокрого катализа отсутствует специальная стадия абсорбции оксида серы (VI) и весь процесс включает только три последовательные стадии:

1. Сжигание сероводорода:

Н₂S + 1,5О₂ = SО₂ + Н₂О – ΔН₁,     где ΔН₁ = 519 кДж

с образованием смеси  оксида серы (IV) и паров воды эквимолекулярного состава (1 : 1).

2. Окисление оксида  серы (IV) до оксида серы (VI):

SО₂+ 0,5О₂ <=>  SО₃ – ΔН₂,       где ΔН₂ = 96 кДж,

с сохранением эквимолекулярности состава смеси оксида серы (IV) и паров воды (1 : 1).

3. Конденсация паров  и образование серной кислоты:

SО₃ + Н₂О <=> Н₂SО₄ – ΔН₃,     где ΔН₃ = 92 кДж

таким образом, процесс  мокрого катализа описывается суммарным  уравнением:

Н₂S + 2О₂ = Н₂SО₄ – ΔН,    где ΔН = 707 кДж.

Большие масштабы производства серной кислоты особенно остро ставят проблему его совершенствования. Здесь можно выделить следующие основные направления:

1. Расширение сырьевой  базы за счет использования  отходящих газов котельных теплоэлектроцентралей и различных производств.

2. Повышение единичной  мощности установок. Увеличение  мощности в два-три раза снижает  себестоимость продукции на 25 –  30%.

3. Интенсификация процесса  обжига сырья путем использования  кислорода или воздуха, обогащенного кислородом. Это уменьшает объем газа, проходящего через аппаратуру, и повышает ее производительность.

4. Повышение давления  в процессе, что способствует  увеличению интенсивности работы основной аппаратуры.

5. Применение новых  катализаторов с повышенной активностью  и низкой температурой зажигания.

6. Повышение концентрации  оксида серы (IV) в печном газе, подаваемом на контактирования.

7. Внедрение реакторов  кипящего слоя на стадиях обжига  сырья и контактирования.

8. Использование тепловых  эффектов химических реакций  на всех стадиях производства, в том числе, для выработки энергетического пара.

Важнейшей задачей в  производстве серной кислоты является повышение степени превращения SО₂ в SО₃. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы – снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SО₂.

Повышение степени превращения SО₂ может быть достигнуто разными путями. Наиболее распространенный из них – создание схем двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА).

 

2.4.Определение эффективного фонда времени работы оборудования.

1) Эффективный фонд  времени работы оборудования  в среднем за год (Т_эф) рассчитывается по формуле:  

    ,

где: Т_ном – номинальный (режимный) фонд времени работы оборудования за год (8640 ч.);

       - время простоя оборудования в ремонтах в среднем за год в течение ремонтного цикла.

2) Расчетное количество  ремонтов к - го типа ( ) в течение ремонтного цикла (РЦ) определяется на основе данных о продолжительности ремонтного цикла ( ) и пробега между двумя смежными ремонтами одного типа ( ) для каждого вида оборудования, представленных в табл. 1, по следующей формуле:

3) При этом следует учитывать,  что при проведении более трудоемкого  ремонта предусматривается проведение  всех более мелких ремонтов. Так,  при проведении капитального (К)  ремонта проводятся и средний  (С), и текущий (Т) ремонты. Таким  образом, например, общее количество планируемых текущих ремонтов ( ) в течение ремонтного цикла, не совмещенных с проведением более крупных ремонтов может быть рассчитано следующим образом:

   ;

где:   - количество планируемых средних ремонтов, не совмещенных с капитальным ремонтом, в течение ремонтного цикла;

1 – количество капитальных  ремонтов в межремонтном цикле.

При этом, исходя из имеющихся  данных о нормативной продолжительности  ремонтов, необходимо правильно рассчитать суммарную продолжительность простоя оборудования в ремонтах.

4) В связи с тем,  что производственная программа  задается на год, а ремонтный  цикл, как правило, охватывает  более длительный период, то необходимо  в начале рассчитать суммарную  продолжительность простоев каждой  единицы оборудования в ремонтах  в течение всего ремонтного цикла, а затем среднюю продолжительность ремонтов в год в рамках ремонтного цикла: